Российские автовладельцы все чаще отказываются от механических коробок передач в пользу «автомата». Однако «ручка» остается не только на бюджетных машинах, но и, наоборот, на дорогих спорткарах. Именно для спортивных, гоночных или хорошо тюнингованных автомобилей предназначены металлокерамические и карбоновые диски сцепления VALEO. О том, что они собой представляют и насколько отличаются по характеристикам, — в нашем материале.
На абсолютном большинстве автомобилей «трудятся» диски сцеплений с накладками из фрикционных материалов на основе органических смол с наполнителем. Их традиционно называют просто «органика», хотя на деле это могут быть композиции из простейших спеченных материалов или с металлом в органической матрице. Волокнистые компоненты в таких смесях обязательно присутствуют в виде стеклянной нити, боркерамики, базальтовой нити, слюды, волластонита, кевлара или асбеста.
Характеристики этих материалов подбираются исходя из удобства эксплуатации машины в повседневном режиме, а размеры маховика и диска производитель имеет возможность подобрать оптимальным образом. В большинстве случаев сцепления, выполненные на основе материалов такого типа, плохо переносят длительную пробуксовку и высокую температуру. Зато износ поверхностей маховика и корзины минимален, усилие сжатия небольшое, а коэффициент трения достаточно стабилен в широком диапазоне температур и плавно снижается с ее повышением.
Вообще вариантов материалов очень много, однако со времен первого «Феродо», выполненного на основе хлопкового волокна и формальдегидных смол, класс материалов сделал качественный скачок, избавившись не только от формальдегида, но и от асбеста, который на протяжении долгого периода был очень удачной основой многих фрикционных смесей.
Что сегодня?
В современных фрикционных материалах массового применения активно используют высокие технологии в виде полиамидного и даже углеродного волокна, сложные термостойкие пластмассы из полиимидов и другие современные материалы, позволяющие выдерживать температуры до 400 °С.
Когда штатного сцепления не хватает, для реализации крутящего момента двигателя приходится или увеличивать размеры и силу нажатия пружины сцепления, или использовать материалы с большим коэффициентом трения под нагрузкой. В случае высоких потерь в сцеплении при старте стандартные материалы тоже лучше заменить: «органика» буквально сгорает за считаные секунды. В любом случае попыткой выхода из ситуации становится применение тюнинговых комплектов сцепления, в народе именуемых «керамикой» или «металлокерамикой».
На самом деле не все материалы высокопроизводительных сцеплений можно отнести именно к керамическим. Например, матрицы на основе углеродного волокна с высоким содержанием железа или меди можно назвать скорее «органикой», как и материалы на основе кевларового волокна. Называть их «керамикой» некорректно, но многие из композиций с такой основой являются спекаемыми материалами. По своим характеристикам они очень далеко уходят от стандартных материалов, применяемых в серийных конструкциях, в первую очередь по рабочей температуре.
Все варианты тюнинговых сцеплений отличает ряд особенностей. Во-первых, повышенная теплостойкость и более высокое усилие сжатия. Коэффициент сцепления при температурах до 150 градусов может быть даже ниже, чем у серийных фрикционных накладок. В остальном материалы могут существенно различаться.
Какие же варианты сцеплений обычно скрываются под не всегда верным названием «металлокерамика» и для каких областей применения они нужны?
Называться «кевларовыми» могут фрикционные накладки, сделанные практически по обычной технологии, как с типичными органическими смолами, так и сравнительно высокотемпературные композиции на основе высокотемпературных пластмасс с высоким содержанием металлов и других волокон. Высокое содержание кевлара гарантирует таким материалам очень высокую стойкость к износу и возможность короткое время (в пределах нескольких секунд) работать с температурой более 400 градусов.
При более длительном воздействии высоких температур сам кевлар — основа такой накладки — деградирует и теряет свои свойства. Но сцепления на основе этой группы материалов остаются вполне пригодными для повседневного применения, удобны при старте и не требуют специфических навыков. Коэффициент трения у них стабильно высокий, немного снижающийся с ростом температуры, а при наличии большого объема металлического наполнителя даже немного повышающийся. Конечно, к поверхностям маховика и корзины сцепления кевларовые накладки диска относятся жестко, но общий повышенный ресурс сцепления того стоит.
Если к сцеплению применяется термин «карбоновое», то основа его фрикционных накладок — карбоновое волокно как основа матрицы для металлического наполнителя и высокотемпературных смол или же матрица с использованием кевларового волокна. За одним и тем же названием могут скрываться существенно разные по характеристикам материалы, а потому сферы их применения совершенно различны.
Карбон-кевларовые накладки сравнительно недороги и обеспечивают хороший ресурс и повышенную, но не рекордную температурную стойкость. Они являются основой для сравнительно недорогих моделей сцеплений с большой площадью накладок. Часто путницу вносит использование карбон-кевларовых материалов для самого диска сцепления, для его лучшей эластичности и более качественной работы фрикционных накладок из какого-то другого материала.
Карбон-углеродные накладки с высокотемпературными смолами — это уже совсем другой класс сцеплений. Фрикционные материалы с такой основой имеют значительно более высокие рабочие температуры — свыше 600 и вплоть до 1500 градусов в специальных конструктивных исполнениях, а также значительно увеличенный коэффициент сцепления в «горячем» виде. Причем рост коэффициента начинается с температур порядка 100 градусов и достигает максимума при 350–460 градусах.
К сожалению, при низких температурах (ниже рабочей температуры двигателя) коэффициент сцепления у накладок из таких материалов значительно снижен. На практике это означает, что после любой длительной пробуксовки сцепления оно «схватится», зато, пока маховик прогревается до рабочей температуры, сцепление будет пробуксовывать под тягой. Это крайне неудобно при обычном городском движении, но на гоночной трассе (например, в сочетании с лаунч-контролем) позволяет добиться очень высокой производительности.
Ресурс диска сцепления остается очень высоким за счет хорошей эластичности и вибростойкости, но все же требует применения жесткой металлической основы. Ресурс маховика и корзины сцепления значительно снижается, и к тому же требуется использование специально разработанных конструкций с повышенным усилием прижима.
Собственно «металлокерамика» применительно к фрикционным материалам сцеплений — это материалы на основе карбидокремниевой матрицы с армированием в виде углеродных или базальтовых волокон. Основной массой наполнителя для сухих сцеплений обычно служит железо, поскольку в термостойких сцеплениях почти не применяют медные и бронзовые наполнители. Но металлокерамика не обязательно является высокотемпературной, если рабочая зона ограничена 250–300 градусами, то выбор фрикционных наполнителей больше.
Легкоплавкие металлы или графит используются как материалы для смазки, а также содержатся в структуре накладки. Но чем выше рабочая температура, тем ниже допустимое содержание этих материалов, и значит, повышается задирообразование накладок. А в связи с низким содержанием меди теплопроводность металлокерамических высокотемпературных накладок получается низкой. В целом этот класс фрикционных материалов не является чем-то сверхдорогим и сложным.
Температурный диапазон может колебаться от умеренно-высокого до очень высокого, накладки такого типа способны без потери характеристик работать при внутренней температуре выше 600 градусов и температуре поверхности за 1000 градусов. Коэффициент сцепления также не линеен и растет с температурой, но провал в области низких температур не столь выражен, как у карбоновых накладок. Но из-за низкой теплопроводности накладки температура поверхности резко растет даже при плавном старте, что приводит к рывкам и перегрузке двигателя. Высокий коэффициент сцепления сочетается с очень агрессивным отношением накладок к рабочим поверхностям.
Каков итог?
Как вы уже поняли, отказываться от традиционных материалов накладок сцепления стоит далеко не всегда. Помимо высокой стоимости у спортивных сцеплений могут быть и большие недостатки. Причем именно рост термостойкости ведет к их более контрастному проявлению. Несколько улучшить ситуацию может применение оптимизированных под эти фрикционные материалы пар трения.
Со стандартными маховиками и корзинами тюнинговые диски сцепления работают не лучшим образом: они требуют не только более жесткой диафрагменной пружины, но и новых материалов для рабочих поверхностей. Также множество противопоказаний для обычной городской эксплуатации. К тому же на практике не всегда «керамика» действительно ею является. Так называют сразу несколько существенно различающихся между собой по характеристикам и области применения типов сцеплений. И настоящая «керамика» среди них, пожалуй, наименее распространена.